CN102553433A - 一种用于脱除燃煤烟气中co2的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置及方法，装置包括水蒸气发生装置、第一级流化床反应器、第二级流化床反应器、第一级气旋分离器、第二级气旋分离器、CO₂净化装置、CO₂储气瓶。方法是以饱和水蒸气作为流态化气体，使用M₂CO₃作为碱金属基吸收剂来净化燃煤烟气中的CO₂。本发明对于燃煤烟气可实现CO₂的近零排放，以饱和水蒸气作为流态化气体，显著降低了以N₂作为流态化气体时，为获得高纯度CO₂气体，需要再次分离CO₂和N₂的成本和能耗，并且所用的碱金属基吸收剂可以再生，并进行循环利用。

Description

一种用于脱除燃煤烟气中CO2的装置及方法

技术领域

本发明属烟气净化技术领域，特别是涉及一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置及方法。

背景技术

目前，大气温室效应已是人类所面临的最主要的环境问题之一。为积极应对全球气候的变化，我国在“十二五”规划中明确提出：“把大幅降低能源消耗强度和二氧化碳排放强度作为约束性指标，有效控制温室气体排放”。二氧化碳是主要的温室气体，据统计，每年有300多亿吨二氧化碳排放到大气层中，其中约有40％来自发电厂。一个600MW的火电厂每小时排放的二氧化碳量可达500吨。因此，为了减少大气中的二氧化碳含量，首要的是减少电站锅炉尾部烟气向大气排放的二氧化碳量。二氧化碳的捕获与封存技术被提上国际日程，成为近两年发达国家热捧的碳减排技术，被认为是温室气体深度减排的重要路径之一。我国是二氧化碳排放大国，尤其是燃煤电站二氧化碳的排放控制同样已到了刻不容缓的地步。

燃煤二氧化碳气体排放控制技术目前主要可分为燃烧前脱碳、化学链循环、纯氧燃烧和燃后捕集四大类，应用前三种减排技术需要改变电厂的燃烧方式，与现有电厂设备无法匹配。燃烧后捕集技术，包括化学方法、物理方法等，物理方法主要包括溶剂吸收法、吸附分离法、薄膜渗透法以及低温蒸馏法等，化学方法主要指化学吸收法，其原理是使二氧化碳气体与化学溶剂发生化学反应而被吸收。一般认为化学吸收法具有更高的二氧化碳脱除效率，然而技术经济性也是选择二氧化碳减排方式的重要因素，大规模减排二氧化碳方式对于技术经济性提出了更高的要求。各种二氧化碳分离回收方法存在的主要问题是：能耗高、会大幅度降低电厂的发电效率、吸收速度慢、脱除二氧化碳的操作成本高、吸收容量小、二氧化碳脱除率低等。

鉴于二氧化碳的严重危害，找到一种二氧化碳气体控制技术已迫在眉睫。国内外许多组织和科研机构对二氧化碳捕获技术进行了相关的研究，并取得了一些成果。

美国乞力马扎罗能量公司的发明“从空气中除去二氧化碳”的专利(公开号：CN102160957A)，该方法是将吸收剂覆盖的表面暴露于空气，利用固体阴离子交换材料进行捕集和分离，该发明也提供了将空气暴露于CO₂的吸收剂装置。该方法对于将汽车、飞机等可移动装置排放出的二氧化碳从空气中吸收是最佳的方式，而本文申请的发明专利主要适用于燃煤电厂烟气处理，提供了一种以水蒸气作为流态化气体脱除燃煤烟气中CO₂的装置及方法，降低了净化、分离高纯二氧化碳气体过程中所产生的能耗，工艺方法明显不同。

荷兰国际壳牌研究有限公司发明“用于从含H₂S和CO₂的酸性气体物流中脱除H₂S和CO₂的方法”专利(公开号：CN101820975A)，吸收剂为胺类物质，所述的方法是液体吸收方法，而本文所述的方法是用固体碱金属基作为吸收剂，水蒸气作为流态化气体，与净化后烟气一起在净化装置中循环使用，不需要分离净化后的烟气和水蒸气。

清华大学发明“利用胺类固体吸附剂脱除烟气中CO₂气体工艺及设备”专利(公开号：CN102198360A)，该工艺使烟气中的CO₂气体与胺类固体吸附剂充分接触，CO₂气体分子将快速扩散进固体吸附剂空隙内，与空隙内的胺类液体进行反应，使得CO₂被吸附剂快速吸附，同时对吸收了CO₂的胺类固体吸附剂进行再生。本文所述的关键点是以水蒸气作为流态化气体，水蒸气可以促进碳酸化反应发生，提高吸收效率。

浙江大学发明“一种用于捕集或分离二氧化碳的吸收剂”(公开号：CN102179132A)，该吸收剂为一乙醇胺和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸钠盐的水溶液，有较高的CO₂吸收能力，易再生。该吸收剂用液体吸收二氧化碳，而本专利所述的工艺适用于固体吸收剂，属于干式吸收方法，用水蒸气喷吹固体颗粒使其流态化，降低了分离高纯二氧化碳气体的成本。

东南大学发明“高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中的CO₂的装置及方法”(公开号：CN101298023A)，该方法以二氧化碳气体作为流化介质，吸收脱除烟气中的二氧化碳，装置与电厂系统有机结合，利用燃煤电厂的余热作为装置系统的运行能量，是投资和能耗的一种优化方案。该专利与本文所述的方法区别在于所用流态化介质不同，本文是以饱和水蒸气作为流态化介质，分别使碱金属基吸收剂、碱金属基再生剂颗粒流态化，烟气和水蒸气在第一级流化床反应器内混合，而东南大学的专利中水蒸气并不是作为流态化介质，水蒸气与烟气先混合，然后进入碳酸化反应器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置及方法，对于燃煤烟气可实现CO₂的近零排放，以饱和水蒸气作为流态化气体，显著降低了以N₂作为流态化气体时，为获得高纯度CO₂气体，需要再次分离CO₂和N₂的成本和能耗，并且所用的碱金属基吸收剂可以再生，并进行循环利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置，包括水蒸气发生装置、第一级流化床反应器、第二级流化床反应器、第一级气旋分离器、第二级气旋分离器、CO₂净化装置、CO₂储气瓶，所述的水蒸气发生装置连接给水泵，水蒸气发生装置的顶部分别连接第一级流化床反应器底部和第二级流化床反应器底部；所述的第一级流化床反应器底部另一侧设有烟气进口，所述的第一级流化床反应器下部通过物料循环装置与第二级流化床反应器下部相连，所述的第一级流化床反应器顶部连接第一级气旋分离器上部；所述的第一级气旋分离器顶部设有烟气出口，所述的第一级气旋分离器底部连接第二级流化床反应器中部，所述的第二级流化床反应器上部连接第二级气旋分离器底部，所述的第二级流化床反应器顶部连接第二级气旋分离器中部；所述的第二级气旋分离器顶部连接CO₂净化装置，所述的CO₂净化装置另一侧连接CO₂储气瓶顶部，所述的CO₂净化装置底部设有冷凝水出口。

一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，包括下列步骤：

(a)经脱除颗粒物、脱硫脱硝等工艺处理后的燃煤烟气通过烟气进口进入第一级流化床反应器；利用水蒸气发生装置产生的饱和水蒸气分别喷吹第一级流化床反应器中布风板上的碱金属基吸收剂、第二级流化床反应器中布风板上的碱金属基再生剂；

(b)在第一级流化床反应器中，烟气中的CO₂气体与碱金属基吸收剂进行充分的混合并发生反应，其主要化学反应方程式为：

M₂CO₃+CO₂+H₂O→2MHCO₃+heat；

(c)经过充分反应后，烟气等混合物经由第一级流化床反应器顶部出口进入第一级气旋分离器；碱金属基再生剂在第一级气旋分离器中分离碱金属基再生剂和净化后的烟气，净化后的烟气和水蒸气经由烟气出口排出，而碱金属基再生剂从第一级气旋分离器流入第二级流化床反应器；在第二级流化床反应器中，碱金属基再生剂发生再生反应，其主要化学反应方程式为：

2MHCO₃→M₂CO₃+CO₂+H₂O-heat；

(d)在第二级流化床反应器中生成的碱金属基吸收剂流入物料循环装置，第二级气旋分离器分离的碱金属基再生剂流入第二级流化床反应器中，物料循环装置内的碱金属基吸收剂流入第一级流化床反应器，再与烟气中的CO₂气体进行碳酸化反应，从而实现循环利用；

(e)第二级流化床反应器中生成的CO₂吸收剂以及CO₂气体的混合物从其顶部进入第二级气旋分离器，经第二级气旋分离器分离产生高浓度的CO₂气体，CO₂气体经过CO₂净化装置净化后送入CO₂储气瓶储存；CO₂净化装置中产生的凝结水经由冷凝水出口排出。

所述的碱金属基吸收剂、碱金属基再生剂颗粒流态化所需的气体由水蒸气发生装置产生，水蒸气分别流入第一级流化床反应器和第二级流化床反应器，作为流态化气体。

所述的水蒸气发生装置所需要的液态水由给水泵提供。

所述的碱金属基吸收剂的喷入量根据烟气进口处燃煤烟气检测的情况和流态化气体的使用量进行确定和控制。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明方法中使用饱和水蒸气作为流态化气体，显著的降低了以N₂作为流态化气体时，为获得高纯度CO₂气体，需要再次分离二氧化碳气体和氮气的成本和能耗，经济效益显著；

2.本发明方法中使用饱和水蒸气作为流态化气体，促进第一级流化床反应器中发生的碳酸化反应，提高了CO₂的捕集效率，减少吸收时间，降低了系统的运行成本；

3.本发明方法以饱和水蒸气作为流态化气体，与净化后烟气一起排出去，分离净化后的烟气和水蒸气，水蒸气很容易冷凝，显著降低了系统的成本，减少了大气中二氧化碳的含量，降低了温室效应对环境产生的影响；

4.用于脱除二氧化碳气体的碱金属基吸收剂可以进行吸收再生反应，碱金属基吸收剂可以循环使用，减少了系统的运行成本；

5.本发明方法使用两级流化床反应器对燃煤烟气二氧化碳进行脱除和吸收剂再生，脱除效率高，并且能够实现CO₂的近零排放；

6.本发明方法使用气固分离器对碱金属基吸收、再生剂进行气固分离，保证了碱金属基吸收剂的循环利用；

7.本发明方法工艺简单，操作方便，极易推广使用并可对现有装置进行改造，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明所述的装置结构示意图；

1.第一级流化床反应器 2.第一级气旋分离器 3.第二级流化床反应器

4.第二级气旋分离器 5.CO₂储气瓶 6.水蒸气发生装置 7.给水泵

8.CO₂净化装置 9.物料循环装置 10.烟气进口 11.烟气出口 12.冷凝水出口

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置，包括水蒸气发生装置6、第一级流化床反应器1、第二级流化床反应器3、第一级气旋分离器2、第二级气旋分离器4、CO₂净化装置8、CO₂储气瓶5，所述的水蒸气发生装置6连接给水泵7，水蒸气发生装置6的顶部分别连接第一级流化床反应器1底部和第二级流化床反应器3底部；所述的第一级流化床反应器1底部另一侧设有烟气进口10，所述的第一级流化床反应器1下部通过物料循环装置9与第二级流化床反应器3下部相连，所述的第一级流化床反应器1顶部连接第一级气旋分离器2上部；所述的第一级气旋分离器2顶部设有烟气出口11，所述的第一级气旋分离器2底部连接第二级流化床反应器3中部，所述的第二级流化床反应器3上部连接第二级气旋分离器4底部，所述的第二级流化床反应器3顶部连接第二级气旋分离器4中部；所述的第二级气旋分离器4顶部连接CO₂净化装置8，所述的CO₂净化装置8另一侧连接CO₂储气瓶5顶部，所述的CO₂净化装置8底部设有冷凝水出口12。

一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，包括下列步骤：

(a)经脱除颗粒物、脱硫脱硝等工艺处理后的燃煤烟气通过烟气进口10进入第一级流化床反应器1；利用水蒸气发生装置6产生的饱和水蒸气分别喷吹第一级流化床反应器1中布风板上的碱金属基吸收剂、第二级流化床反应器3中布风板上的碱金属基再生剂；

(b)在第一级流化床反应器1中，烟气中的CO₂气体与碱金属基吸收剂进行充分的混合并发生反应，其主要化学反应方程式为：

M₂CO₃+CO₂+H₂O→2MHCO₃+heat；

(c)经过充分反应后，烟气等混合物经由第一级流化床反应器1顶部出口进入第一级气旋分离器2；碱金属基再生剂在第一级气旋分离器2中分离碱金属基再生剂和净化后的烟气，净化后的烟气和水蒸气经由烟气出口11排出，而碱金属基再生剂从第一级气旋分离器2流入第二级流化床反应器3；在第二级流化床反应器3中，碱金属基再生剂发生再生反应，其主要化学反应方程式为：

2MHCO₃→M₂CO₃+CO₂+H₂O-heat；

(d)在第二级流化床反应器3中生成的碱金属基吸收剂流入物料循环装置9，第二级气旋分离器4分离的碱金属基再生剂流入第二级流化床反应器3中，物料循环装置9内的碱金属基吸收剂流入第一级流化床反应器1，再与烟气中的CO₂气体进行碳酸化反应，从而实现循环利用；

(e)第二级流化床反应器3中生成的CO₂吸收剂以及CO₂气体的混合物从其顶部进入第二级气旋分离器4，经第二级气旋分离器4分离产生高浓度的CO₂气体，CO₂气体经过CO₂净化装置8净化后送入CO₂储气瓶5储存；CO₂净化装置8中产生的凝结水经由冷凝水出口12排出。

所述的碱金属基吸收剂、再生剂颗粒流态化所需的气体由水蒸气发生装置6产生，水蒸气分别流入第一级流化床反应器1和第二级流化床反应器3，作为流态化气体。

所述的水蒸气发生装置6所需要的液态水由给水泵7提供。

所述的碱金属基吸收剂的喷入量根据烟气进口10处燃煤烟气检测的情况和流态化气体的使用量进行确定和控制。

在对烟气进行净化时，以N₂作为流态化气体时，净化后的高浓度的CO₂气体仍然含有N₂，要获得高纯度CO₂气体，需要对N₂和CO₂气体进行再次分离，N₂和CO₂的分离成本高，能耗大；而以饱和水蒸气作为流态化气体，在CO₂净化装置8中净化CO₂时，水蒸气和CO₂的组份比N₂和CO₂的组份较易分离，为了获得高纯度的CO₂气体，显著的降低了分离和净化CO₂气体的成本和能耗，节约运行费用，经济效益显著。

以饱和水蒸气作为流态化气体，可以促进在第一级流化床反应器1中发生的碳酸化反应，增强碱金属基吸收剂的吸收CO₂气体的效果，提高了CO₂捕集效率。

在第二级气旋分离器4中碱金属基吸收剂再生反应产生的高纯CO₂气体经净化后送入CO₂储气瓶5储存，可以实现CO₂的近零排放；此外，碱金属基吸收剂可以循环使用。

本发明脱除过程中，可根据烟气进口10处燃煤烟气检测的情况和第一级流化床反应器1流态化气体介质的使用量控制碱金属基吸收剂的喷入量。

Claims (5)

1.一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置，包括水蒸气发生装置(6)、第一级流化床反应器(1)、第二级流化床反应器(3)、第一级气旋分离器(2)、第二级气旋分离器(4)、CO₂净化装置(8)、CO₂储气瓶(5)，其特征在于：所述的水蒸气发生装置(6)连接给水泵(7)，水蒸气发生装置(6)的顶部分别连接第一级流化床反应器(1)底部和第二级流化床反应器(3)底部；所述的第一级流化床反应器(1)底部另一侧设有烟气进口(10)，所述的第一级流化床反应器(1)下部通过物料循环装置(9)与第二级流化床反应器(3)下部相连，所述的第一级流化床反应器(1)顶部连接第一级气旋分离器(2)上部；所述的第一级气旋分离器(2)顶部设有烟气出口(11)，所述的第一级气旋分离器(2)底部连接第二级流化床反应器(3)中部，所述的第二级流化床反应器(3)上部连接第二级气旋分离器(4)底部，所述的第二级流化床反应器(3)顶部连接第二级气旋分离器(4)中部；所述的第二级气旋分离器(4)顶部连接CO₂净化装置(8)，所述的CO₂净化装置(8)另一侧连接CO₂储气瓶(5)顶部，所述的CO₂净化装置(8)底部设有冷凝水出口(12)。

2.一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，使用如权利要求1所述的一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的装置，其特征在于，包括下列步骤：

(a)经脱除颗粒物、脱硫脱硝等工艺处理后的燃煤烟气通过烟气进口(10)进入第一级流化床反应器(1)；利用水蒸气发生装置(6)产生的饱和水蒸气分别喷吹第一级流化床反应器(1)中布风板上的碱金属基吸收剂、第二级流化床反应器(3)中布风板上的碱金属基再生剂；

(b)在第一级流化床反应器(1)中，烟气中的CO₂气体与碱金属基吸收剂进行充分的混合并发生反应，其主要化学反应方程式为：

M₂CO₃+CO₂+H₂O→2MHCO₃+heat；

(c)经过充分反应后，烟气等混合物经由第一级流化床反应器(1)顶部出口进入第一级气旋分离器(2)；碱金属基再生剂在第一级气旋分离器(2)中分离碱金属基再生剂和净化后的烟气，净化后的烟气和水蒸气经由烟气出口(11)排出，而碱金属基再生剂从第一级气旋分离器(2)流入第二级流化床反应器(3)；在第二级流化床反应器(3)中，碱金属基再生剂发生再生反应，其主要化学反应方程式为：

2MHCO₃→M₂CO₃+CO₂+H₂O-heat；

(d)在第二级流化床反应器(3)中生成的碱金属基吸收剂流入物料循环装置(9)，第二级气旋分离器(4)分离的碱金属基再生剂流入第二级流化床反应器(3)中，物料循环装置(9)内的碱金属基吸收剂流入第一级流化床反应器(1)，再与烟气中的CO₂气体进行碳酸化反应，从而实现循环利用；

(e)第二级流化床反应器(3)中生成的CO₂吸收剂以及CO₂气体的混合物从其顶部进入第二级气旋分离器(4)，经第二级气旋分离器(4)分离产生高浓度的CO₂气体，CO₂气体经过CO₂净化装置(8)净化后送入CO₂储气瓶(5)储存；CO₂净化装置(8)中产生的凝结水经由冷凝水出口(12)排出。

3.如权利要求2所述的一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述的碱金属基吸收剂、碱金属基再生剂颗粒流态化所需的气体由水蒸气发生装置(6)产生，水蒸气分别流入第一级流化床反应器(1)和第二级流化床反应器(3)，作为流态化气体。

4.如权利要求2所述的一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述的水蒸气发生装置(6)所需要的液态水由给水泵(7)提供。

5.如权利要求2所述的一种用于脱除燃煤烟气中CO₂的方法，其特征在于：所述的碱金属基吸收剂的喷入量根据烟气进口(10)处燃煤烟气检测的情况和流态化气体的使用量进行确定和控制。